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High‐Power and Ultrastable Aqueous Calcium‐Ion Batteries Enabled by Small Organic Molecular Crystal Anodes

材料科学 阳极 普鲁士蓝 水溶液 电解质 阴极 插层(化学) 化学工程 无机化学 电极 电化学 有机化学 化学 物理化学 工程类
作者
Renjie Li,Jingya Yu,Feiyang Chen,Yaqiong Su,K.C. Chan,Zheng‐Long Xu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (30) 被引量:69
标识
DOI:10.1002/adfm.202214304
摘要

Abstract Calcium ion batteries (CIBs) are pursued as potentially low‐cost and safe alternatives to current Li‐ion batteries due to the high abundance of calcium element. However, the large and divalent nature of Ca 2+ leads to strong interaction with intercalation hosts, sluggish ion diffusion kinetics and low power output. Herein, a small molecular organic anode is reported, tetracarboxylic diimide (PTCDI), involving carbonyl enolization (CO↔CO − ) in aqueous electrolytes, which bypasses the diffusion difficulties in intercalation‐type electrodes and avoid capacity sacrifice for polymer organic electrodes, thus manifesting rapid and high Ca storage capacities. In an aqueous Ca‐ion cell, the PTCDI presents a reversible capacity of 112 mAh g −1 , a high‐capacity retention of 80% after 1000 cycles and a high‐power capability at 5 A g −1 , which rival the state‐of‐the‐art anode materials in CIBs. Experiments and simulations reveal that Ca ions are diffusing along the a axis tunnel to enolize carbonyl groups without being entrapped in the aromatic carbon layers. The feasibility of PTCDI anodes in practical CIBs is demonstrated by coupling with cost‐effective Prussian blue analogous cathodes and CaCl 2 aqueous electrolyte. The appreciable Ca storage performance of small molecular crystals will spur the development of green organic CIBs.
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